КВАНТОВЫЙ МАГНИТОМЕТР

Стационарный эффект Джозефсона в сочетании с явлением квантования магнитного потока послужил основой для создания целого семейства сверхчувствительных измерительных приборов. Они называются «сверхпроводящие квантовые интерференционные приборы» или СКВИДы (по сочетанию первых букв соответствующих английских слов Superconducting Quantum Interference Devices).

Простейший квантовый магнитометр состоит из сверхпроводящего кольца, в цепи которого имеется джозефсо- новский переход (см. рис. 6.12).

Известно, что, для того чтобы возник ток в нормальном туннельном контакте, к нему надо приложить хотя бы небольшое напряжение. А в сверхпроводящем контакте это не обязательно. Если в кольце создать сверхпроводящий ток, то он сможет течь и через джозефсоновский элемент: сверхпроводящие пары будут туннелировать через тонкий слой диэлектрика. Такое явление называют стационарным (постоянным во времени) эффектом Джозефсона, в отличие от нестационарного эффекта, сопровождаемого излучением. Однако существует максимально допустимое для контакта значение сверхпроводящего тока (его называют критическим током контакта 1С). При токе, большем критического, сверхпроводимость в контакте разрушается и на нем обязательно появляется напряжение (эффект Джозефсона становится нестационарным).

Рис. 6.12

Сверхпроводящий контур с джозефсоновским элементом во внешнем магнитном поле

Итак, при включении в сверхпроводящий контур джо- зефсоновского элемента не происходит полного разрушения сверхпроводимости, но в контуре появляется место, в котором сверхпроводимость ослаблена (как говорят, возникает слабая связь). Именно на этом основано его использование для точного измерения магнитных полей. Постараемся понять, как это делается.

Если бы контур был полностью сверхпроводящим (не содержал слабой связи), то магнитный поток через его площадь был бы строго постоянным. Действительно, согласно закону электромагнитной индукции всякое изменение внешнего магнитного поля приводит к возникновению

ЭДС-индукции , а значит, к изменению тока

в контуре. Но изменяющийся ток, в свою очередь, порождает ЭДС-самоиндукции , Поскольку падение напряжения в сверхпроводящем контуре равно нулю (сопротивление равно нулю), алгебраическая сумма этих ЭДС тоже равна нулю:

или

Отсюда следует, что при изменении внешнего магнитного потока сверхпроводящий ток в контуре получает приращение такого знака, чтобы создаваемый им добавочный магнитный поток компенсировал это изменение (правило Ленца). При этом полный магнитный поток через контур остается постоянным: Ф = const. Изменить его, не переводя контур в нормальное состояние, нельзя (говорят, что в сверхпроводящем контуре магнитный поток «заморожен»).

А что произойдет, если сверхпроводящий контур содержит слабую связь? Оказывается, кванты потока проникают через такую связь в контур, т. е. магнитный поток через такой контур может меняться (магнитный поток сверхпроводящего тока квантуется — он равен целому числу квантов потока Ф0).

Проследим, как меняются магнитный поток внутри сверхпроводящего кольца со слабой связью и величина тока в кольце при изменении внешнего магнитного поля.

Пусть вначале внешнее поле и ток в контуре равны нулю (рис. 6.12а). Тогда поток внутри контура тоже равен нулю. Будем увеличивать внешнее поле — в контуре появится сверхпроводящий ток, магнитный поток которого в точности компенсирует внешний поток. Так будет продолжаться до тех пор, пока ток в контуре не достигнет критического значения 1С (рис. 6.126). Предположим для определенности, что в этот момент внешнее поле создает по-

„ Фо

ток, равный половине кванта:

Как только ток станет равным 1С, сверхпроводимость в месте слабой связи разрушится и в контур войдет квант потока Ф0 (см. рис. 6.12в). При этом отношении —скач-

ком увеличится на единицу (как говорят, сверхпроводящий контур перейдет в новое квантовое состояние). А что произойдет с током? Его величина останется прежней, но направление изменится на противоположное. Действительно, если до вхождения кванта потока Ф0 ток 1С полно-

« Ф0

стыо экранировал внешний поток —то после вхожде-

и

« Ф()

ния он должен усиливать внешний поток —- до значе-

ния Ф0. Поэтому в момент вхождения кванта потока направление тока скачком меняется на противоположное.

При дальнейшем увеличении внешнего поля ток в кольце начнет уменьшаться, сверхпроводимость в кольце восстановится и поток внутри кольца будет оставаться равным Ф0. Ток в контуре обратится в нуль, когда внешний поток станет равным Ф0 (см. рис. 6.12г), а затем начнет течь в обратном направлении. Наконец, при значении внешне-

ЗФ0 ,

го потока ц ток опять станет равным 1С, сверхпроводимость разрушится, войдет следующий квант потока и т. д.

Графики зависимости магнитного потока Фвнут внутри кольца и тока I в нем от величин внешнего потока Фвнешн показаны на рис. 6.13 (оба потока измеряются в естественных единицах — квантах потока Ф0). Ступенчатый характер зависимости позволяет «чувствовать» отдельные кван-

Рис. 6.13

Зависимость магнитного потока внутри контура (а) и тока в контуре от внешнего потока (б)

ты потока, хотя величина их очень мала (порядка 10 15 Вб). Нетрудно понять почему.

Магнитный поток внутри сверхпроводящего контура изменяется хотя и на малую величину ЛФ = Ф0, но скачком, т. е. за очень короткий промежуток времени. Так что

йФ

скорость изменения магнитного потока-при этом скач-

сИ

кообразном характере изменения потока оказывается очень большой. Ее можно измерить, например, по величине ЭДС- индукции, наводимой в специальной измерительной катушке прибора. В этом и состоит принцип работы квантового магнитометра.

Устройство реального квантового магнитометра в действительности много сложнее. Так, обычно используют не одну, а несколько слабых связей, включенных параллельно, — своеобразная интерференция сверхпроводящих токов (а точнее, соответствующих им волн, определяющих «размазывание» сверхпроводящих электронов в пространстве) приводит к повышению точности измерений (поэтому такие приборы и называются интерференционными). Например, полный ток I в кольце с двумя контактами определяется интерференцией токов, проходящих через контакты (рис. 6.14):

где 81( б2 — скачки фаз волновых функций на переходах, а критические токи обоих контактов для простоты предполагаются одинаковыми.

Рис. 6.14

Интерференция токов, проходящих через контакты:

а — схема двухконтактного интерферометра; б — зависимость критического тока от величины магнитного потока.

В результате критический ток 1т периодически зависит от внешнего магнитного поля и обращается в нуль всякий раз, когда поток равен полуцелому числу квантов. Чувствительный элемент прибора индуктивно связывают с катушкой колебательного контура, где скачки потока преобразуются в импульсы напряжения, которые затем усиливаются.

Заметим, что в наши дни сверхчувствительные магнитометры, измеряющие магнитные поля с точностью до 10-15 Тл, — это уЖе промышленная продукция, находящая применение в современной измерительной технике.

Они используются и в медицине. Оказывается, что при работе сердца, мозга, мышц в окружающем пространстве возникают чрезвычайно слабые, но уже измеримые с помощью СКВИДов магнитные поля (так, индукция магнитного поля, обусловленного сердечной деятельностью, В » 3 • 10“11 Тл, что примерно в сто тысяч раз меньше магнитного поля Земли). Регистрацию таких полей называют снятием магнитокардиограммы, магнитоэнцефалограммы и т. д. Изучение таких характеристик человеческого организма, ставшее возможным в последние годы благодаря развитию практической сверхпроводимости, принципиально изменило диагностику различного рода заболеваний.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
  • 1. Объясните температурную зависимость электрического сопротивления сверхпроводников.
  • 2. Объясните зависимость критического поля Нс от температуры.
  • 3. Опишите эффект квантования магнитного потока в сверхпроводниках.
  • 4. В чем отличие диамагнетизма сверхпроводников от обычного диамагнетизма?
  • 5. Что такое сверхпроводники первого и второго рода?
  • 6. Запишите уравнения Лондонов. Что такое глубина проникновения магнитного поля в сверхпроводниках?
  • 7. Дайте физическое объяснение природы сверхпроводимости.
  • 8. Что такое длина когерентности?
  • 9. Опишите эффекты Джозефсона.
  • 10. Объясните работу квантового магнитометра и его основные возможности.
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >